Sanierung des Abwassersammlers "Im Mainfeld"

23.03.2005

Der Sammler "Im Mainfeld", ein Ortbeton-Kastenprofil mit den Abmessungen Breite/Höhe 2500/2000 bzw. 4000/3000 mm, ist einer der Hauptsammler zur Abwasserreinigungsanlage Niederrad (Frankfurt a. M.). Bereits nach einer Nutzungsdauer von rund 30 Jahren wurden erhebliche Schäden an den Wand- und Deckenflächen des Sammlers, verursacht durch biogene Schwefelsäurekorrosion, festgestellt. Zur Ursachenfindung wurden umfangreiche Untersuchungen der Abwasserzusammensetzung, der hydraulischen Verhältnisse sowie der Bausubstanz durchgeführt. Die Bewertung ergab, dass zeitnah Sanierungsmaßnahmen zum Schutz des Sammlers eingeleitet werden mussten. Im Rahmen der Voruntersuchungen wurde ermittelt, dass eine Funktionalausschreibung, mit dem Ziel einer Teilauskleidung des Gasraumes des Sammlers, die technisch und wirtschaftlich sinnvollste Vorgehensweise war. Zur Ausführung kam die Sanierung des Sammlers mit einer Auskleidung aus Polymerbetonelementen über eine Sanierungslänge von insgesamt 2,2 km.

Ausgangssituation und Problemstellung

Der Sammler Im Mainfeld bildet das Rückgrat eines Systems von vier Hauptsammlern, die das Abwasser aus den nordöstlichen und südlichen Einzugsbebieten der Stadt Frankfurt am Main (einschließlich des Abwassers der Stadt Offenbach) zu der Abwasserreinigungsanlage (ARA) Niederrad leiten (Abbildung 1). Diese Sammler verlaufen parallel zum Main und weisen nur ein sehr geringes Gefälle von ca. 1 : 1000 auf. Im Einzelnen handelt es sich um folgende Sammler:
  • Gartenstraßensammler (Talsystem, d. h. tief liegendes Einzugsgebiet südlich des Mains), Eiprofil 1710/1140 mm, Mauerwerk zweiringig, Baujahre 1906 bis 1907
  • Sammler Schwanheimer Straße (Bergsystem, d. h. hoch liegendes Einzugsgebiet südlich des Mains), Eiprofil 1710/1140 bzw. 1710/2000, Mauerwerk zweiringig, Baujahre 1902/1903
  • Offenbacher Sammler (Einzugsgebiet Stadt Offenbach und nordöstliche Einzugsgebiete), Kreisprofil DN 2200, Stahlbeton, Baujahre 1954/1955
  • Sammler Im Mainfeld, Kastenprofil Breite/Höhe 2500/2000 bzw. 4000/3000 mm, Ortbeton, Baujahre 1970 bis 1973.
Der Sammler Im Mainfeld wurde als Entlastungskanal für das bestehende Sammlersystem angelegt. Er nimmt bei Trockenwetter das Abwasser aus dem tief liegenden Einzugsgebiet auf; bei Regenwetter wird das hoch liegende Bergsystem über Schwellen in den Sammler Im Mainfeld entlastet. Vor der ARA Niederrad münden alle oben genannten Sammler in den Sammler Im Mainfeld. Die Gesamtlänge dieses Sammlers im Planungsgebiet beträgt ca. 2200 m.
Auslöser für die Sanierungsmaßnahmen waren die Korrosionserscheinungen an den Wand- und Deckenflächen oberhalb des Wasserspiegels im Sammler Im Mainfeld auf der gesamten Länge. Die großflächige Schädigung der Substanz und die zumindest mittelfristig zu befürchtende Beeinträchtigung der Standsicherheit des Kanals machten ein umfassendes Untersuchungsprogramm als Grundlage für die Sanierungsplanung erforderlich. Zielsetzungen des Programms waren die Beschreibung des Schadensbildes, die Ermittlung der Schadensursache und die Bewertung der Schäden mit Ableitung von Sanierungsprioritäten und -zeiträumen.
Optische Inspektion der Sammler

Erster Arbeitsschritt im Untersuchungsprogramm war eine optische Inspektion der Sammler, die um eine Prüfung der noch vorhandenen Betondeckung der Bewehrung ergänzt wurde. Zusammenfassend zeigte sich bei dem Sammler Im Mainfeld über die gesamte Länge folgendes Schadensbild:
  • Starke Korrosionserscheinungen in der oberflächennahen Schicht des Betons an Wänden, Decken und in den Schächten; Abtragstärke bis 2 cm; verbleibende Betondeckung im Mittel 3 bis 4 cm, minimal 2 cm; freiliegende Bewehrung wurde nicht angetroffen
  • keine bzw. nur geringfügige Schäden in der Sohle
  • Risse und Undichtigkeiten wurden nicht festgestellt.
Abbildung 2 zeigt beispielhaft den Zustand der Betonoberfläche nach der Reinigung.
Ergänzende Untersuchungen

Um eine differenzierte Beurteilung des Schadensbildes und eine fachgerechte Sanierungsplanung zu ermöglichen, wurde die optische Inspektion durch ein umfangreiches Untersuchungsprogramm ergänzt.
Untersuchung der Abwasserzusammensetzung

Zur Ursachenermittlung war insbesondere die Frage zu beantworten, ob die Korrosionsschäden auf Indirekteinleitungen zurückzuführen sind oder ob die hydraulischen Randbedingungen (geringe Fließgeschwindigkeiten, hohe Aufenthaltsdauer) die biogene Schwefelsäurebildung begünstigen. Daher wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm im gesamten Einzugsgebiet der Sammler an acht Messstellen durchgeführt. Der Schwerpunkt des Programms lag neben der Erfassung wichtiger physikalischer Parameter (Temperatur, pH-Wert, Redox-Potenzial) auf der Analyse der organischen Abwasserinhaltsstoffe (insbesondere TOC, BSB5, Stickstoffverbindungen, Lösungsmittel und Fette) sowie der Schwefelwasserstoffkonzentration (Sulfid, gelöst nach DIN 38 405, DEV 26). Die Messungen erfolgten in zwei Abschnitten an insgesamt 19 aufeinanderfolgenden Tagen bei Trockenwetter. Untersucht wurden entsprechend der Fließzeiten gestaffelte Stichproben sowie 24-Stunden-Mischproben. Zusätzlich wurden an zwei Tagen 2- Stunden-Mischproben entnommen zur Ermittlung von Tagesganglinien der Konzentrationen und Frachten. Zusammenfassend ergab die Untersuchung folgendes Ergebnis:
  • hohe organische Belastung des Abwassers (Mittelwert der TOC-Konzentration der 24-Stunden-Mischproben 637 mg/l)
  • hohe Abwassertemperaturen zwischen 20 und 23 °C in den Sommermonaten
  • relative hohe Sulfid-Konzentrationen bis maximal 7,2 mg/l.
Die Interpretation der Fülle der Untersuchungsergebnisse hat sich aufgrund der großen Streubreite und zum Teil widersprüchlicher Tendenzen als problematisch und teilweise unmöglich erwiesen. Offensichtlich gestaltet sich bereits die repräsentative Probenahme bei großen, langsam durchflossenen Abwasserkanälen als Problem. Im Gesamtergebnis belegen aber die Untersuchungen das hohe organische Potenzial des Abwassers. Noch schwieriger gestaltete sich die Analyse der Schwefelwasserstoffmessungen in der Kanalluft. Je nach den Durchlüftungsverhältnissen an den Probenahmestellen schwankten die Ergebnisse in weiten Grenzen. Eindeutige Trends oder gar Korrelationen zu der Abwasserzusammensetzung ließen sich nicht herstellen.
Auch die Ergebnisse der Indirekteinleiterüberwachung im Einzugsgebiet ließen keine weiter gehenden Schlüsse zu. Größere gewerbliche Einleitungen existieren nicht, dafür befindet sich jedoch im Einzugsgebiet ein Stadtviertel mit sehr vielen Gaststätten und Apfelweinschänken, die zu der hohen organischen Belastung des Abwassers beitragen.
Untersuchung der hydraulischen Randbedingungen

Neben der Abwasserzusammensetzung war die Beurteilung der hydraulischen Randbedingungen (Fließgeschwindigkeiten, Fließtiefen, Fließzeiten, Durchflüsse) eine wesentliche Grundlage für die Sanierungsplanung. Aus diesem Grund wurden in den vier Hauptsammlern und den wichtigsten Zuläufen über einen Zeitraum von sechs Monaten insgesamt zwölf Messstellen betrieben, die kontinuierlich den Wasserstand, die Fließgeschwindigkeit und daraus abgeleitet den Durchfluss registrierten. Die Ergebnisse belegen die äußerst ungünstigen hydraulischen Randbedingungen in dem Sammler Im Mainfeld bei Trockenwetterverhältnissen:
  • Fließtiefe 0,3-0,6 m (zum Vergleich Fließtiefe bei Normalabfluss: 0,2-0,3 m)
  • Fließgeschwindigkeit ca. 0,1 m/s; teilweise nicht messbar
  • Durchfluss 0,1?0,2 m3/s (nächtliches Minimum)
  • Fließzeit über die gesamte Sammlerlänge ca. sechs Stunden.
Der Sammler befand sich zum Zeitpunkt der Messungen im Rückstaubereich des Rohwasserpumpwerks der ARA Niederrad. Zwischenzeitlich konnte das Ausmaß des Rückstaus durch eine geänderte Pumpensteuerung und den Abschluss verschiedener Baumaßnahmen stark reduziert werden. Trotzdem stellen sich wegen des geringen Gefälles auch weiterhin niedrige Fließgeschwindigkeiten ein.
Untersuchung der Bausubstanz

Grundlage für die Sanierungsplanung und die Auswahl geeigneter Sanierungssysteme ist die genaue Kenntnis der Werkstoffeigenschaften der vorhandenen Bausubstanz. Die Untersuchungen erfolgten an insgesamt 51 Bohrkernen (Durchmesser 50 und 100 mm), die mit Hilfe eines hydraulisch angetriebenen Bohrgeräts unter Betriebsbedingungen aus den Wand- und Deckenflächen entnommen wurden. Die Entnahmestellen wurden nach Inaugenscheinnahme über alle Haltungen gleichmäßig verteilt. Folgende Kennwerte wurden ermittelt:
  • Druckfestigkeit (DIN 1048-2)
  • statischer und dynamischer E-Modul (DIN 1048?5, Heft 422 DAfStb)
  • Haftzugfestigkeit (DIN 1048?2)
  • Wasseraufnahme (DIN 52617, DIN 52103)
  • Spaltzugfestigkeit (DIN 1048?2)
  • chemische Untersuchung der Betonzusammensetzung.
Die Untersuchungen lieferten zusammenfassend folgende wichtige Ergebnisse:
  • Würfeldruckfestigkeit βw200: Mittelwert 62,8 N/mm2, minimal 30,7 N/mm2, maximal 85,0 N/mm2, Standardabweichung 10,3 N/mm2; daraus resultiert nach der zum Untersuchungszeitpunkt gültigen DIN 1045 eine Betonfestigkeitsklasse von mindestens B 35
  • Festbetonrohdichte 2,34 kg/dm3
  • statischer E-Modul erfüllt, bezogen auf die ermittelte Betonfestigkeitsklasse, die Vorgaben nach DIN 1045 nicht vollständig
  • Haftzugfestigkeiten nach Entfernen der geschädigten Oberfläche: Mittelwert 1,9 N/mm2, minimal 0,9 N/mm2, maximal 3,2 N/mm2, Standardabweichung 0,5 N/mm2
  • Sulfatgehalt oberflächennah (0-2 cm Tiefe) 0,1 M-%, Sulfatgehalt oberflächenfern (2-4,5 cm Tiefe) < 0,1 M-%.
Ein Vergleich dieser Untersuchungsergebnisse z. B. mit den im Rahmen der Sanierung des Hauptsammlers Mitte der Stadtentwässerungsbetriebe Düsseldorf [1] gewonnenen Erkenntnissen zeigt zwei gravierende Abweichungen, die für die weitere Vorgehensweise bei der Sanierungsplanung von entscheidender Bedeutung sind:
  • Die Sulfatgehalte im Sammler Im Mainfeld weisen praktisch keine Abhängigkeit von der Entnahmetiefe auf und liegen erheblich unter den im Hauptsammler Mitte in Düsseldorf ermittelten Werten. Ein Betonabtrag mit dem Ziel, einen sulfatfreien bzw. -armen Kernbeton als Basis für die Applikation einer Mörtelbeschichtung freizulegen, wäre daher im Falle des Sammlers im Mainfeld nicht erforderlich.
  • Die oberflächennahen Haftzugfestigkeitswerte im Sammler Im Mainfeld liegen unter den im Hauptsammler Mitte ermittelten Werten und erreichen teilweise erst nach mehrmaligem Abtrag sicher Einzelwerte von über 1 N/mm2 bzw. Mittelwerte von 1,5 N/mm2, die nach [2] als untere Grenzwerte für Beschichtungssysteme gefordert werden.
Schadensursache, Schadensbewertung und Sanierungsprioritäten

Ursache der Korrosionsschäden sind die ungünstigen hydraulischen Randbedingungen. Die Mechanismen der biogenen Schwefelsäurekorrosion (BSK) sind hinreichend bekannt [z.B. 3, 4]; alle die BSK fördernden Randbedingungen liegen im Falle des Sammlers Im Mainfeld mehr oder weniger ausgeprägt vor und werden auch zukünftig andauern. Bei tendenziell sinkendem Wasserverbrauch ist sogar mit einer weiteren Verschlechterung der ungünstigen Randbedingungen zu rechnen.
Die Schadensbewertung orientiert sich üblicherweise primär an den Ergebnissen der optischen Inspektion. In diesem Fall wurde der Versuch unternommen, sowohl die Inspektionsergebnisse als auch die Erkenntnisse aus dem ergänzenden Untersuchungsprogramm zu einer Gesamtbewertung zu aggregieren. Im Sinne einer pragmatischen Vorgehensweise wurde aber auf die Entwicklung eines formalisierten Bewertungsalgorithmus verzichtet. Stattdessen erfolgte die Bewertung und Überlagerung der Ergebnisse in drei Stufen:
  • haltungsweise Zusammenfassung der Ergebnisse der Kanalinspektion und Zuordnung zu vier Schadensklassen
  • Überlagerung der Ergebnisse der Kanalinspektion mit den Ergebnisse der Werkstoffuntersuchungen
  • Überlagerung mit den Ergebnissen der Abwasseruntersuchung und Zuordnung zu vier Gesamtschadensklassen.
Das Bewertungsverfahren war auf diesen konkreten Fall abgestimmt und daher nur bedingt auf anders gelagerte Fälle übertragbar. Den vier Gesamtschadensklassen wurden folgende Sanierungsprioritäten zugeordnet:
  • Schadensklasse 1: keine Sanierung erforderlich
  • Schadensklasse 2: Weitere Beobachtung, Sanierung gegebenenfalls langfristig erforderlich
  • Schadensklasse 3: Sanierung mittelfristig (zwischen drei und sechs Jahren) erforderlich
  • Schadensklasse 4: Sanierung kurzfristig innerhalb von maximal drei Jahren erforderlich.
Von den 25 untersuchten Haltungen des Sammlers Im Mainfeld wurden je zwei Haltungen der Schadensklasse 2 bzw. 3, die restlichen 21 Haltungen der Schadensklasse 4 zugeordnet. Eine Ausnahme bildete das (niveaufreie) Kreuzungsbauwerk zwischen dem alten Bergsammler und dem Sammler Im Mainfeld. Vermutlich bedingt durch turbulente Fließverhältnisse (Absturz, starker Krümmungsradius) kam es dort zu einem lokal stark erhöhten Korrosionsangriff, der einen sofortigen Sanierungsbedarf begründete. Dieses Bauwerk wurde daher losgelöst von der weiteren Sanierungsplanung des Sammlers Im Mainfeld einer gesonderten Sanierung unterzogen.
Sanierungsplanung

Als Ergebnis der Schadensbewertung war zunächst eine Vorplanung mit der Untersuchung der für die Sanierung notwendigen Fragen für den Sammler Im Mainfeld zu erstellen. Sie umfasste eine:
  • Darstellung und Auswahl der möglichen Sanierungsverfahren und -materialien
  • Klärung der baulichen Randbedingungen, insbesondere für mögliche Andienungspunkte (Baugruben)
  • Erarbeitung eines Wasserhaltungskonzeptes.
Auswahl der möglichen Sanierungsverfahren

Entsprechend den bei Schädigung durch BSK vorhandenen Bedingungen, insbesondere dem pH-Wert der Sielhaut, hatte die Festlegung von Zielvorgaben für alle zu betrachtenden Materialien höchsten Stellenwert. Die Sielhautuntersuchungen ergaben pH-Werte bis zu 2,17. Da niedrigere pH-Werte jedoch zukünftig nicht auszuschließen waren, wurde eine Beständigkeit für pH-Werte bis 1 für alle zu betrachtenden Werkstoffevorausgesetzt. Die Standfähigkeit des Sammlers war auch unter Berücksichtigung eines Betonabtrages durch die BSK noch nicht gefährdet.
In einem ersten Schritt erfolgte die Eingrenzung der zu betrachtenden Werkstoffe und Sanierungsverfahren. Im Einzelnen wurden folgende Verfahren und Werkstoffe untersucht:
  • Beschichtung mit einem Zementmörtel bzw. Alkali-Silicat- Mörtel
  • Teilauskleidung mit UP-GF- bzw. PE-HD-Elementen
  • Teilauskleidung mit Steinzeugplatten
  • Einzug von UP-GF-Rohren (Kreis- bzw. Maulprofil).
Diese Verfahren wurden im Hinblick auf die Frage einer Beständigkeit für einen pH-Wert bis zu 1, die Praktikabilität der baulichen Umsetzung und die voraussichtlichen Kosten beurteilt. Als erschwerende Randbedingung war die Trassierung des Sammlers zu berücksichtigen: Er weist zahlreiche Kurven mit sehr unterschiedlichen Radien von 5,00 m bis zu 180,0 m auf. Für die einzelnen Verfahren ließen sich folgende wesentliche Merkmale festhalten:
  • Beschichtungsverfahren
    Nach einer intensiven Vorauswahl erfolgte die nähere Betrachtung von zwei Beschichtungssystemen. Für die beiden betrachteten Beschichtungssysteme konnte auf der Grundlage der vorliegenden Nachweise von einer Beständigkeit ausgegangen werden. Längerfristige Erfahrungen der Systeme lagen in Bezug auf die Gebrauchstauglichkeit nur im Gasraumbereich von offenen Kläranlagenbauwerken vor. Langzeiterfahrungen, wie sie für Werkstoffe wie UP-GF oder PE-HD bereits gesichert vorliegen, konnten bei den betrachteten Beschichtungsverfahren nicht belegt werden. Resultierend aus den Ergebnissen der Voruntersuchungen wäre aufgrund der niedrigen Sulfatkonzentrationen(< 0,12 M-%) nur ein festigkeitsbezogener Altbetonabtrag erforderlich. Aussagen darüber, in welcher Stärke ein Betonabtrag zur Erzielung einer Zugfestigkeit von 1,5 N/mm2 als Mittelwert nach ZTV-SIB 90 [2] notwendig sein würde, hätte nur durch weitere Versuche im Sammler festgestellt werden können. Die Angabe der voraussichtlichen Kosten erfolgte daher unter Annahme eines erforderlichen Betonabtrages von 10 mm.
  • Montageverfahren
    Es wurden die für eine Sanierung am geeignetsten Verfahren der Teilauskleidung mit UP-GF-, PE-HD- und Steinzeugplatten betrachtet. Für eine Auskleidung mit Steinzeugplatten waren durch den Verbund mit dem Altbeton die Anforderungen an die Zugfestigkeit von im Mittel 1,5 N/mm2 einzuhalten. Der Sammler Im Mainfeld weist im Abstand von 15 bis 20 m Dehnungsfugen auf, die von innen mit einem Kompressionsdichtungsband geschlossen sind. Eine Auskleidung mit Montageplatten muss einer nicht auszuschließenden Infiltration von Grundwasser durch diese Dehnungsfugen und den hierdurch auftretenden und bedingt durch die Nähe zum Main relativ hohen Grundwasserdrücken dauerhaft standhalten.
  • Rohrlining
    Für das Rohrlining wurde von UP-GF-Rohren nach DIN 19565 ausgegangen. Die Variante des Linings mit Maulprofilrohren konnte aufgrund der gegenüber dem Lining mit Kreisprofilrohren um den Faktor zwei höheren Kosten bereits zu einem frühen Zeitpunkt ausgeschlossen werden. Bei einem Lining mit Kreisprofilrohren war der Verlust an Retentionsvolumen mit 3,84 m3/lfdm im Sammler gegenüber den Beschichtungsverfahren sowie den Montageverfahren sehr hoch.
Wertung der untersuchten Verfahren

Nach Zusammenstellung der maßgebenden Kriterien der untersuchten Verfahren erfolgte eine verbale Bewertung. Die Rohrlining-Verfahren schieden aufgrund der höheren Kosten sowie des Verlusts an Retentionsvolumen im Sammler aus. Für die Beschichtungsverfahren waren die Gründe für den Ausschluss hauptsächlich die nicht bekannten Nutzungsdauern sowie fehlende Erkenntnisse über den notwendigen Altbetonabtrag, der zu einer signifikanten Erhöhung der Kosten hätte führen können. Zusammenfassend wurde in der Vorplanung daher empfohlen, die Sanierungsarbeiten funktional nach § 9 Abs. 10 der VOB/A für eine verankerte Teilauskleidung der Wände und Decken des Sammlers auszuschreiben.
Klärung der baulichen Randbedingungen

Angesichts einer Sanierungslänge von 2,2 km und Einstiegsmöglichkeiten in den Sammler in einem Abstand von rund 100 bis 120 m mussten Möglichkeiten zur Anlage von temporären Baugruben untersucht werden. Unter Berücksichtigung der zum Teil beengten örtlichen Verhältnisse konnten insgesamt zehn potenzielle Standorte für die Baugruben ermittelt werden. Der Abstand der Baugruben betrug im Mittel rund 200 m.
Wasserhaltungskonzept

Für alle betrachteten Sanierungsverfahren war die Trockenlegung des Sammlers für die Dauer der Bauzeit eine der Grundvoraussetzungen. Der Erarbeitung eines Wasserhaltungskonzeptes musste daher besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Ziel dieses Konzeptes war die komplette Abschottung des Sammlers und der mit ihm verbundenen Sammler. Im Regenwetterfall waren unter Zugrundelegung eines dreijährigen Regenereignisses zwischen 2,2 und 9,6 m3/s umzuleiten. Aufgrund des Umfangs der einzelnen Maßnahmen wurde die Sanierungsstrecke in insgesamt drei Abschnitte unterteilt. Nach Betrachtung des gesamten Einzuggebietes zeigte sich, dass durch die Drosselung eines nordöstlich gelegenen Regenüberlaufes bereits eine erhebliche Vorentlastung (ca. 2,0 m3/s) möglich war. Weitere Maßnahmen waren unter anderem: das Verschließen von Entlastungen in den Sammler Im Mainfeld, der Bau eines Bypasses zwischen zwei Hauptsammlern sowie die Umleitung des Abwassers aus dem Einzugsgebiet Frankfurt-Nordost und vom Rhein-Main-Flughafen. Insgesamt wurden 13 einzelne Wasserhaltungsmaßnahmen ausgewiesen. Die Wirksamkeit der Maßnahmen wurde durch hydrodynamische Kanalnetzberechnungen mit Schmutzfrachtsimulation in ihren Auswirkungen auf das Kanalnetz der angrenzenden Stadtteile sowie die erhöhte Schmutzfrachtentlastung in den Main überprüft.
Für die Gesamtmaßnahme konnte als Ergebnis festgehalten werden, dass eine Überschreitung der zulässigen Schmutzfrachtentlastung nicht stattfand und die Abwasserabgabenfreiheit auch während der Sanierungsmaßnahme gegeben war.
Ausschreibung und Vergabe der Sanierungsarbeiten

Erstellung des Leistungsprogramms

Basierend auf den Vorgaben und Empfehlungen der Vorplanung wurden in einem nächsten Schritt die Ausschreibungsunterlagen erstellt. Nach § 9 Nr. 6?9 VOB/A sind die zu erbringenden Leistungen auch bei dieser Ausschreibungsart so eindeutig und erschöpfend zu beschreiben, dass alle Bewerber sie im gleichen Sinne verstehen müssen. Es war daher in Anlehnung an das Merkblatt ATV-DVWK-M 802 [5] sowohl die Struktur als auch der Inhalt der Ausschreibung so zu definieren, dass die Beschreibung des Sanierungsziels keine Fragen bezüglich technischer Randbedingungen und der verlangten Qualität bei den Bietern zuließ. Das Leistungsprogramm enthielt daher folgende wesentliche Anforderungen:
  • Alle Bieter hatten zur Submission genau definierte Unterlagen für das von ihnen vorgesehene Sanierungsverfahren vorzulegen. Im Einzelnen waren dies unter anderem Nachweise der chemischen Beständigkeit aller einzusetzenden Materialien für einen pH-Wert von 1, ein statischer Nachweis und eine Beschreibung der angebotenen Auskleidung sowie zeichnerische Darstellungen von vorgegebenen Detailpunkten.
  • In Abhängigkeit von der Anzahl der Verankerungen pro Auskleidungselement waren die rechnerischen Verformungen nachzuweisen. Als Grenzwert wurde eine maximale Verformung von ≤ 1/100 der Öffnungsweite zwischen den einzelnen Verankerungen der Auskleidungselemente gefordert. Ein definierter Grundwasserstand sowie die bei der (zwingend vorgeschriebenen) Ringspaltverdämmung auftretenden Lasten waren statisch zu berücksichtigen.
  • Für beide Profilgrößen wurden einzuhaltende Mindestabflussquerschnitte von 3,60 m2 bzw. 8,90 m2 vorgegeben.
  • Für die Qualitätssicherung wurde unter anderem eine baustellenbezogene Fremdüberwachung für die einzusetzenden Auskleidungsmaterialien vorgeschrieben.
  • Ein weiterer Schwerpunkt war die Beschreibung der einzelnen Wasserhaltungsmaßnahmen, bei denen den Bietern - in einem klar definierten Rahmen - die Wahl der eigentlichen Ausführungsvariante freigestellt wurde.
  • Der Zeitrahmen der Sanierung war durch die Wasserhaltungsmaßnahmen, insbesondere im Sanierungsabschnitt 3, weitgehend festgelegt. Ein detaillierter Rahmenterminplan wurde daher Vertragsbestandteil.
  • Die Sanierung wurde in Form eines Globalpauschalvertrages [6] ausgeschrieben. Um jedoch die Angebote für die Wertung insbesondere hinsichtlich der Preisgestaltung transparenter zu machen, wurden die erforderlichen Leistungen in 33 vorgegebene Teilpositionen aufgegliedert.
  • Entsprechend dem Umfang der mit dem Angebot vorzulegenden Unterlagen wurde für alle Bieter, die ein Angebot abgaben, eine angemessene Vergütung festgesetzt.
  • Den Ausschreibungsunterlagen wurden umfangreiche Planunterlagen beigefügt.
Vergabe der Sanierungsarbeiten

Das Ausschreibungsverfahren wurde zweistufig, entsprechend den Festlegungen für eine beschränkte Ausschreibung nach öffentlichem Teilnahmewettbewerb, durchgeführt. Bis zum Ende der Bewerbungsfrist gingen insgesamt 14 Bewerbungen ein. Zur Angebotsabgabe wurden sechs Bewerber aufgefordert; wesentliche angebotene Sanierungsvarianten waren:
  • Auskleidung mit Stahlbetonfertigteilen mit einbetonierter PE-HD-Auskleidung
  • Auskleidung als bewehrte Ortbetonschale B 25 mit PE-HD-Auskleidung
  • Auskleidung mit Fertigteilen aus Polymerbeton als Dreigelenkbogen
  • Spritzbetonauskleidung mit einer Oberflächenbeschichtung
  • Auskleidung mit mehrteiligen GFK-Platten (Dübelraster 25 x 25 cm) auf Ausgleichsputz
  • Auskleidung mit GFK-Steckelementen (Channelline-Verfahren)
  • Auskleidung mit 38 mm starken PE-HD-Platten (Dübelraster 32,5 x 32,5 mm) und Ringraumverdämmung.
Die Angebotspreise lagen zwischen 6,77 und 15,24 Millionen Euro, der arithmetische Mittelwert ohne das preisgünstigste und höchste Angebot bei 8,82 Millionen Euro einschließlich Mehrwertsteuer. Nach Durchführung der Bietergespräche zeigte sich, dass die Variante einer Auskleidung des Sammlers mit Polymerbetonelementen das technisch und wirtschaftlich annehmbarste Angebot war. Im März 2002 erfolgte die Vergabe.
Ausführungsvariante

Diese Variante sah die Auskleidung des Gasraumes des Sammlers mit zwei Polymerbetonwinkelelementen, die auf Fußsteinen (ebenfalls aus Polymerbeton) gelagert sind, vor. Abbildung 3 zeigt das Prinzip der Auskleidung: Die Winkelelemente stützen sich auf den Fußelementen ab, die wiederum direkt auf dem Kernbeton des Sammlers aufliegen. Daher war die Sohlbefestigung des Sammlers (Klinker bzw. Hartbetonestrich) vor Verlegung der Fußelemente zu entfernen. Die Fußelemente wurden durch in den Kernbeton eingelassene Edelstahlbolzen gegen auftretende Schubkräfte in ihrer Lage fixiert. Nach dem Versetzen der Fußelemente wurden die verbleibenden Zwischenräume mit einem Mörtel (Druckfestigkeit ≥ 55 N/mm2) vergossen. Die kraftschlüssige Verbindung aller Elemente untereinander wurde durch eine Klebeverbindung gewährleistet. In Längsrichtung wurde die Verbindung der Elemente durch die Anordnung einer Nut- und Federverbindung an den Stirnseiten der Winkelelemente sichergestellt.
An den vorhandenen Dehnungsfugen erfolgte keine kraftschlüssige Verklebung der Nut- und Federverbindungen: Hier wurde die Auskleidung mit einem beständigen Dehnfugenmaterial (Zugdehnung 368 %) aus silanmodifizierten Polymeren gedichtet. Die Dehnungsfugen wurden für eine maximale rechnerische Bewegung des vorhandenen Sammlers von ca. 4,7 mm ausgelegt. Die Haus- und Sinkkastenanschlüsse wurden mit Formteilen aus Edelstahl (Werkstoff-Nr. 1.4571) in die Auskleidung integriert.
Bei den Polymerbetonelementen der Auskleidung handelt es sich um einen gefüllten Reaktionsharzstoff, mindestens Typ 1140 nach DIN 16946-2, der hier die Funktion des Zements bei Beton übernimmt. Der Füller besteht aus mineralischen Zuschlägen (mit einem Massengehalt von 90 ± 3 %) nach DIN 4226-1 und 1983-04. Die Druckfestigkeit dieses Werkstoffes liegt bei ≥ 90 N/mm2; die Biegezugfestigkeit beträgt mindestens 16,8 N/mm2 (Kurzzeitwert) bzw. 9,9 N/mm2 (Langzeitwert).
Durchführung der Sanierungsarbeiten

Mit den Sanierungsarbeiten wurde im März 2002 begonnen. Die Arbeitsabfolge in den drei Sanierungsabschnitten war durch das Sanierungsverfahren vorgegeben:
  • Einrichtung der Wasserhaltungsmaßnahmen
    Diese Maßnahmen hatten zum Teil einen größeren Umfang, so dass der Zeitraum bis zur Trockenlegung der einzelnen Sanierungsabschnitte mehrere Wochen bzw. Monate in Anspruch nahm.
  • Reinigung des Sammlers
    Die Wand- und Deckenbereiche wurden manuell mit Wasser (Druck 500 bar) gereinigt, so dass die Sielhaut, Fettablagerungen und auch geschädigte Teile der Betonoberflächen entfernt wurden.
  • Vermessung
    Bedingt durch die Trassierung des Sammlers war nicht durchgehend der Einsatz von Standardauskleidungselementen möglich. Um hier die Maßgenauigkeit sowohl bei der Produktion wie auch dem Versetzen der Elemente zu gewährleisten, wurden die jeweils trocken gelegten Sanierungsabschnitte parallel zur Reinigung dreidimensional mit einem Rundum-Laser (Puls-Laufzeit-Messung) gescannt, wobei ein Einzelscan aus ca. einer Million koordinierten Punkten bestand. Jeder dieser Punkte war mit Koordinaten abrufbar. Die große Punktdichte und Punktanzahl gewährleistete eine hohe Genauigkeit der Bestandsaufnahme.
    Die aus der Vermessung aufbereiteten Daten wie Länge der einzelnen Elemente und Abwinkelung wurden sodann direkt dem produzierenden Werk übermittelt. Auf der Grundlage dieser Daten konnten die einzelnen Elemente mit einer Toleranz von ± 4 mm gefertigt werden. Jedes Element wurde mit einer individuellen Nummer versehen, die seine genaue Lage im Sammler angab.
  • Fremdüberwachung
    Jedes Element musste auf die Maßhaltigkeit bestimmter, bereits vor Beginn der Sanierung festgelegter Punkte überprüft werden. In einem Prüfprotokoll wurden die Soll-Ist-Abweichungen festgehalten. Bei Überschreitung der zulässigen Toleranzen wurde das entsprechende Element aussortiert und neu produziert. Neben der geometrischen Prüfung wurden bei jedem Gießvorgang der Elemente Probebalken zur Überprüfung der mechanischen Eigenschaften hergestellt. An diesen Probebalken waren die entsprechend der statischen Berechnungen einzuhaltenden Parameter Biegezugfestigkeit (≥ 16,8 N/mm2) und Druckfestigkeit (≥ 90,0 N/mm2) zu ermitteln. Bedingt durch die Anzahl der täglich zu produzierenden Elemente mussten im Zeitraum Oktober 2002 bis März 2003 monatlich ca. 180 Probebalken geprüft werden. Nach der statistischen Auswertung der Ergebnisse konnten dann ab April 2003 die Prüfintervalle auf eine repräsentative Prüfung pro Tagescharge Polymerbeton reduziert werden, da die oben genannten Parameter kontinuierlich eingehalten wurden.
  • Versetzen der Fuß- und Winkelelemente
    Die Verlegarbeiten für die Fußelemente wurden parallel und vorauseilend vor den Winkelelementen durchgeführt. Die kraftschlüssig zu verklebenden Winkelelemente mussten vor Einbau ca. 24 Stunden auf eine Temperatur von 18-20 °C vorgeheizt werden. Zu diesem Zweck wurden an den Baugruben beheizbare Wärmecontainer aufgestellt, die kontinuierlich mit Elementen beschickt wurden. Die Mindesttemperatur von 18-20 °C war Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Polymerisation des Klebers.
  • Die Elemente selbst wurden durch ein Verlegegerät, den so genannten Manipulator versetzt (Abbildung 4). Die gesamte Verlegeeinheit bestand aus dem "Manipulator", der transportablen Plattform mit der Anlage zur Vorhaltung des Klebers sowie dem durch einen Lenkdraht gesteuerten Transportfahrzeug, welches die kontinuierliche Anlieferung von Elementen am Einbauort gewährleistete.
  • Anschließend wurden die Dehnungsfugen abgedichtet und der Ringspalt verdämmt.
  • Als letzter Schritt der Sanierungsarbeiten wurden die temporären Baugruben zurückgebaut.
Bewertung der Vorgehensweise und des Sanierungsergebnisses

Die bereits im Rahmen der Vorplanung getroffene Entscheidung, die Sanierungsarbeiten funktional auszuschreiben, hat sich als positiv erwiesen. Die Erarbeitung des Leistungsprogramms erfolgte konsequent mit dem Ziel, im Rahmen klar definierter Vorgaben einen Spielraum zu erhalten, damit alle Möglichkeiten der wirtschaftlichen und technischen Optimierung durch die Nutzung der spezifischen Kenntnisse der Bieter realisiert werden konnten. Das zur Ausführung gelangte Sanierungsverfahren ist hinsichtlich der Materialien und der Bauausführung eine Innovation, die das Spektrum der Sanierungsverfahren bei der Großprofilsanierung positiv bereichert. Die Sanierungsaufgabe konnte sowohl hinsichtlich der Ausführungsqualität als auch der Termine vollständig gelöst werden. Dies trifft auch auf die kritischen Ausführungsdetails wie z.B. Schachtbauwerke, einmündende Sammler sowie die Hausanschlüsse zu. In diesem Zusammenhang muss die große Sorgfalt, das Engagement und die gute Zusammenarbeit der ausführenden Firmen hervorgehoben werden. Die Bandbreite der angebotenen Verfahren bestätigte diese Vorgehensweise, insbesondere, da das beauftragte Sanierungsverfahren in allen Punkten den Zielvorgaben entsprach, aber ein signifikant neues Verfahren hinsichtlich der im Rahmen der Vorplanung betrachteten Auskleidungssysteme darstellte.
Rückblickend muss kritisch angemerkt werden, dass der Aufwand für das die Inspektion ergänzende Untersuchungsprogramm, gemessen an den Erfordernissen der Sanierungsmaßnahme, zu hoch war. Insbesondere die Ergebnisse der umfangreichen Abwasser- und Geruchsuntersuchungen konnten zur Vorbereitung der Sanierungsmaßnahme keine nennenswerten Beiträge liefern. Als sehr nützlich haben sich jedoch die aufwändigen hydraulischen Messungen und die Werkstoffuntersuchungen erwiesen. Im Hinblick auf die Frage der Anwendbarkeit von Beschichtungssystemen hätte die Haftzugfestigkeit im Vorfeld noch differenzierter untersucht werden können.
Die spezifischen Sanierungskosten liegen mit ca. 4000 ?/m (im Mittel, einschließlich Wasserhaltungsmaßnahmen) relativ hoch. Da der Kanal jedoch mit einer unabhängig von der Bauwerkssubstanz tragfähigen und korrosionssicheren Innenschale ausgekleidet wurde, kann auch die Einhaltung einer Nutzungsdauer von 50 Jahren als wichtigstes Sanierungsziel erwartet werden.
Literatur

[1] Rosentreter, U.: Bautechnische Lösungsansätze für nachhaltiges Instandsetzen von Abwasseranlagen aus Beton, bbr Wasser, Kanal- & Rohrleitungsbau, 11/2001, S. 29-33 (Teil 1) und 1/2002, S. 35-39 (Teil 2)

[2] Bundesminister für Verkehr: ZTV-SIB 90, zusätzliche technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen, Ausgabe 1990

[3] Bielecki, R.; Schremmer, H.: Biogene Schwefelsäure-Korrosion in teilgefüllten Abwasserkanälen, Sonderdruck aus Heft 94 (1987) der Mitteilungen des Leichtweiß-Institutes für Wasserbau der Technischen Universität Braunschweig

[4] Klose, N.: Sulfide in Abwasseranlagen, Ursachen und Auswirkungen, Gegenmaßnahmen, Beton (30) (1980), Heft 1, S. 13-17, Heft 2, S. 61-64

[5] Merkblatt ATV-DVWK-M 802 "Funktionalausschreibung - Voraussetzungen und Vorgehensweisen", Mai 2002

[6] Heiermann, W.: Die funktionale Leistungsbeschreibung - ein Überblick für die Praxis, Zeitschrift für Vergaberecht (ZVgR), Heft 4, 1997, S. 206-211
Autoren

Dipl.-Ing. Roland Kammerer
Stadtentwässerung Frankfurt am Main
Abt. 68.3 Abwasserableitung und Gewässer, Betrieb
Goldsteinstraße 160, 60528 Frankfurt am Main
E-Mail: roland.kammerer@stadt-frankfurt.de

Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Wirtsch.-Ing. Michael Brinkmann
Kocks Consult GmbH
Niederlassung Frankfurt am Main
Flinschstraße 67, 60388 Frankfurt am Main
E-Mail: brinkmann@kocks-ing.de

Erstveröffentlichung: KA-Abwasser, Abfall 2005 (52) Nr. 3 / März 2005

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